Симметрия как понятие

Кремний, принадлежащий  к той же группе, что и углерод, также четырехвалентен. Химия кремния, подобно химии углерода, весьма сложна. Кристаллическая структура кварца представляет собой трехмерный каркас из длинных цепей, построенных в форме винтовых лестниц. Разумеется, винтовые лестницы полностью асимметричны. Однако они бывают лево- и правосторонними, как изображение и его зеркальное отражение. Связанные между собой асимметричные цепи образуют либо левый, либо правый кристалл. Соответственно они оказывают оптическое влияние на свет.

У водорастворимых кристаллов органических соединений зеркальная симметрия молекул прослеживается как в твердом, так и в растворенном состоянии. Известный пример — винная кислота. Она встречается в виде левых и правых кристаллов. Соответственно ведет себя и ее раствор. Под правым направлением здесь всегда понимается направление по часовой стрелке. Таким образом, левая винная кислота вращает плоскость поляризации против часовой стрелки. Нидерландский физикохимик Якоб Хендрик Вант-Гофф (1852—1911) объяснил такое поведение винной кислоты, исходя из строения ее молекулы. При одном и том же химическом составе можно написать три разные структурные формулы винной кислоты. Каждый из двух центральных атомов углерода в любом случае связан с группой СООН. В органической химии эта группа — отличительный признак кислоты. Проглотив таблетку аспирина или попробовав на язык уксус, вы ощущаете кисловатый вкус, он обусловлен именно присутствием группы СООН. Для нас, однако, важнее правая и левая связи атомов углерода. Они связывают либо атом водорода, либо группу ОН. Именно здесь кроется возможность возникновения двух зеркально-симметричных вариантов их взаимного расположения и, помимо того, третьего варианта, который симметричен сам по себе.

В книгах по химии  часто можно встретить обозначения L- и D-âèííàÿ кислота, производные от латинских слов laevus — левый и dexter — правый. Теперь нам уже нетрудно сообразить, что вещество, носящее название “декстро-энерген”, должно быть оптически активным и притом правовращающим. В молекуле виноградного сахара (торговое наименование которого и есть “декстро-энерген”) присутствует цепочка из атомов углерода, “подвески” которой могут быть синтезированы право- или лево- сторонними.

Вант-Гофф, впрочем, не пользовался такой простой  плоскостной моделью, как мы. Он сразу рисовал ее в объемном изображении, что больше отвечает действительности. Каждый из 4-ёх углеродных атомов винной кислоты расположен в вершине тетраэдра. К этим угловым атомам углерода и привязаны прочие атомы, кислородные и водородные.

Вследствие  этого из одного совершенного платонова тела (каким является тетраэдр) возникают две различные, зеркально-симметричные формы. Однако здесь, как и в любой области естествознания, мы не должны воспринимать такие описания буквально. Речь идет всего лишь о картинках и моделях, назначение которых — помочь нам разобраться в тех или иных явлениях. Чтобы легче представить, как из асимметричных молекул вдруг возникает симметричный кристалл, рассмотрим несколько примеров на плоскости.

Раньше под  рубриками вроде “В часы досуга”  порой встречались задачи, где предлагается разложить одну плоскую фигуру, скажем шестиугольник и образовать из нее другую плоскую фигуру, например квадрат. В данном случае две высокосимметричные плоские фигуры составляются из одинаковых асимметричных элементов. В свое время ведущим умельцем в такого рода разложениях и сложениях слыл австралиец Гарри Линдгрен. Чтобы еще больше затруднить решение подобных задач, ставится дополнительное условие: обойтись, возможно, меньшим числом составных элементов. Линдгрен и другие любители, увлекавшиеся разложением фигур, отваживались разлагать даже узоры кафеля. В качестве иллюстрации позаимствуем разложение узора из восьмиугольников с маленькими квадратами в мотив из квадратов той же площади, что и восьмиугольники, причем малые квадраты в новом узоре сохраняются, но в несколько смещенном положении.

Когда Вант-Гофф опубликовал свою теорию о правых и левых молекулах, она была встречена в штыки. Многие из его современников никак не хотели согласиться с тем, что атомы в молекуле должны располагаться именно так, как их поместил Вант-Гофф. Однако теория нидерландского профессора давала единственно удовлетворительное объяснение вращению поляризованного света, поэтому она все же получила признание. Тем временем химики разработали методы прямого определения формы молекул. И мы теперь знаем, что Вант-Гофф был прав.

АСИММЕТРИЯ  ЛЮБОЙ ЦЕНОЙ

Природа всегда отбирает среди множества вариантов те, которые проще и надежнее всего обеспечивают жизнь и ее продолжение. Естественно, ее действия отличны от действий человека, отыскивающего нужное слово в словаре или решение задачи в учебнике. Она просто вслепую воспроизводит все решения, как верные, так и ложные, полагаясь на то, что наилучшее из них пробьет себе дорогу, выживет в процессе эволюции, на протяжении сотен тысяч или миллионов лет. Подобно тому, как это происходит и в технике (здесь уж, конечно, не без помощи человека), в живой природе побеждает то, что наиболее просто и надежно.

Одна из важнейших  предпосылок жизни — наследственность. Потомками лошадей снова и снова должны быть лошади. И в своих основных чертах они должны походить на родителей.

Австрийский естествоиспытатель Грегор И. Мендель (1822— 1884) в 1860г. на основании своих знаменитых опытов по гибридизации сортов гороха (!) пришел к выводу, что дети половину наследственных факторов получают от одного из родителей, а половину — от другого. Благодаря успехам современной микробиологии мы довольно отчетливо представляем себе, как это осуществляется с помощью носителей наследственности — генов.

Мы вернулись  к модели генной спирали, построенной  Уотсоном и Криком. При оплодотворении женского яйца наследственность может передаваться только в материальной форме. При этом однозначно должно указываться, какие именно признаки наследуются. Здесь сразу же намечаются два возможных пути осуществления этой задачи.

Первый путь — это образование определенных химических соединений, каждое из которых соответствует наследуемому свойству. Однако он содержит много недостатков. И прежде всего он сопряжен с использованием огромного количества различных соединений для передачи всего набора наследуемых свойств. Вполне вероятно, что для передачи свойства “длинные ноги” лошади потребуется совсем иное химическое соединение, чем для передачи того же свойства блохе или слону. Кроме того, некоторые соединения неоднозначны: достаточно вспомнить о левой и правой винной кислоте. Более простым является другой путь кодирования информации, основанный на том же принципе, что и работа телеграфного аппарата системы Морзе или телетайпа. Телеграф “знает” и использует только три “структурных элемента”: тире, точку и пробел. Но информация, записанная с помощью азбуки Морзе, может содержать ошибки (а при передаче наследственности это недопустимо). Так, увидев на телеграфной ленте бессмысленное слово “зергало”, телеграфист, надо думать, поймет из контекста, что имеется в виду зеркало. В случае особых сомнений он может запросить передающую станцию. Однако во избежание подобных недоразумений, чтобы исключить искажения, лучше подстраховаться. Наиболее простой способ — при передаче каждая буква дублируется: “ззееррккааллоо”. Вероятность дважды заменить букву гораздо меньше, чем совершить ошибку один раз. К тому же при таком способе кодирования всегда известно, где начало, а где конец сообщения. Если мы прочитали на ней “топор”, то однозначно заключаем, что это никак на “ропот”. В силу всех этих преимуществ в природе в ходе естественного отбора для передачи наследственной информации победил принцип “азбуки Морзе”. Лента, несущая эту информацию, состоит из молекул сахара и фосфата, построенных в два ряда. В каждом ряду они чередуются через одну: сахар — фосфат — сахар — фосфат. В пределах обоих рядов напротив каждой молекулы сахара располагается тоже молекула сахара, а против каждой молекулы фосфата — молекула фосфата. Промежутки между парами сахар — сахар (но не фосфат — фосфат) заполнены еще четырьмя видами химических соединений, которые получили следующие названия: аденин (А), цитозин (Z), гуанин (G) и тимин (Т). Запомним лишь обозначающие их буквы A, Z ,G и Т. А всегда связано с Т, a Z—с G. Одна из этих групп всякий раз связывает пары сахар— сахар обоих рядов. В наглядном изображении получается полоса, напоминающая лестницу, поручни которой состоят из сахара и фосфата, перекладины (ступеньки) — из групп А—Т или Z—G. Для ступенек возможны комбинации Т—А и А—Т наряду c Z—G и G—Z. Кроме того, последовательность перекладин может быть произвольной: скажем, комбинации Z — G могут следовать подряд несколько раз. Но пока такая лестница, подобно лестнице, которой пользуется электрик, остается прямой, она все еще сохраняет возможность оказаться симметричной. Последствия этого могли бы стать катастрофическими для любого живого существа. Но, к счастью, концы “лестницы” спирально закручены. Такая абсолютная асимметрия исключает всякую генетическую ошибку.

Построив свою модель, Уотсон и Крик получили первое доказательство ее правильности. Размеры отдельных молекул были им известны. Действительности могла соответствовать лишь такая модель, к которой свободно подходили бы все структурные элементы. И только двойная спираль удовлетворяла этому требованию. Те, кто ближе знакомые с этим предметом, знают, что речь все время идет о дезоксирибонуклеиновой кислоте. Ввиду громоздкости этого слова чаще принято обозначать ее сокращенно — ДНК. Молекула ДНК, помимо способности к безошибочному обозначению наследуемых свойств, имеет и еще одно преимущество: она одинаково пригодна как для блох, так и для слонов и, конечно, для людей тоже. Комбинацией из четырех букв А, Z, Т, G все свойства обозначаются точно так же, как это делается посредством трех знаков при использовании азбуки Морзе. Конечно, “телеграфная лента” в этом случае должна быть достаточно длинной; чтобы на ней могли уместиться все команды будущему живому организму. Мы знаем из биологии, что у человека носителями наследственности служат 46 похожих на палочки хромосом. Если растянуть их двойные спирали, то получится лента длиной около метра. А так как атомы и молекулы очень малы (на одном сантиметре их помещается 100 млн.), то на протяжении одного метра оказывается возможным записать всю необходимую информацию. Хотя спирали и асимметричны, можно представить себе их зеркальные отражения. Так существует ли вероятность того, что в некой семье появятся двое детей, из которых один ребенок окажется зеркальным отражением другого (будет “закручен в другую сторону”), ибо его генные спирали, пусть одинаковые со спиралями генов второго ребенка, зеркально симметричны по отношению к ним? Нет! Все витки ДНК всегда направлены в одну сторону — вправо, как у обычного штопора. Поэтому в природе не существует зеркальных отражений с генными спиралями, закрученными в обратную сторону. Благодаря абсолютной асимметрии и недопущению зеркального отражения вся заключенная в генах информация не может быть перепутана.

Вирусы — белковые соединения, стоящие на пороге живого, — тоже имеют правое направление вращения. Некоторые исключения обнаружены лишь у антибиотиков. Они “закручены” влево; на этом, очевидно, и основано их действие.

Вероятно, таков  вообще признак жизни — ее стремление образовывать из симметричных молекул асимметричные и затем делать выбор в пользу одного из возможных видов асимметрии. Эта мысль, по-видимому, ведет свое начало от французского химика, биолога и медика Луи Пастера (1822—1895). Уже из одного перечня его профессий видно, что он был человеком поистине универсальных знаний. Человечество обязано ему предохранительными прививками против бешенства и других заболеваний. Ему принадлежит открытие, что кипячение убивает микробов. К Пастеру восходят дезинфекция и методы стерилизации. Он первым привел также весьма важное для философии и естествознания доказательство того, что живое возникает только из живого.

В молодости  Пастер занимался винной кислотой — той самой, о которой мы уже рассказывали. Ему было известно, что наряду с винной кислотой существует химически тождественная ей виноградная кислота. Но обе эти кислоты различаются по их оптическим свойствам. Раствор винной кислоты оптически активен, он вращает поляризованный свет. Раствор виноградной кислоты, напротив, совсем не отклоняет света. Рассматривая кристаллы обеих кислот под микроскопом, Пастер обнаружил, что у винной кислоты они являются либо правыми, либо левыми, а у оптически нейтральной виноградной кислоты половина кристаллов — левые и половина — правые. Тогда он проделал весьма трудоемкую работу по сортировке кристаллов виноградной кислоты и перевел в раствор отдельно правые и левые кристаллы. Оба раствора, как и ожидалось, оказались оптически активными. Часть виноградной кислоты вращала световой луч влево, а часть — вправо.

Эти явления  лишь 50 лет спустя объяснил Вант-Гофф. Однако и Пастер был уже весьма близок к их объяснению. Он продолжил свои эксперименты, помещая микробов в растворы виноградной кислоты. Выяснилось, что микробы способны различать левые и правые молекулы. Они избирательно поедали лишь один их вид. Измерить это оказалось очень просто: в ходе опыта по воздействию микробов на растворы нейтральная виноградная кислота становилась оптически активной. Пастер пришел к заключению, что живые существа, предпочитающие асимметричные молекулы, тоже должны быть асимметричными. Теперь мы знаем, что он был прав. Не только в спирали ДНК, но и всюду, где присутствуют белковые молекулы (а микробы — это высокомолекулярные органические белки), мы встречаемся со спиральным строением.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Несмотря на кажущуюся простоту формулировки в сочетании с современными теориями физики, химии и других естественных наук, а также новыми открытиями (например, нейтрино) в этих областях симметрия пространства (о времени я здесь не говорил) становится всё более запутанной. Но, несомненно, одно: Мир симметричен!

В нём найдены  в принципе зеркальное соответствие каждому изображению.

ЛИТЕРАТУРА

1. Гильде В.  Зеркальный мир. — М.: Мир, 1982г.
2. Современный словарь иностранных слов. — М.: Русский язык, 1993г.
3. Советский энциклопедический словарь — М.: Советская энциклопедия, 1980г.

Урманцев Ю.А. Симметрия природы и природа  симметрии — М.: Мысль, 1974г